臼齿多级微结构增韧机理

作为一种天然生物陶瓷复合材料,臼齿具有多尺度微结构。它首先由羟基磷灰石层和胶原蛋白组成,进而羟基磷灰石层又是由羟基磷灰石片构成。并且相邻磷灰石层中的磷灰石片具有不同的方向,它们构成一种交叉微结构。建立臼齿层状及交叉两级微结构模型,考察了羟基磷灰石层状微结构的断裂能以及羟基磷灰石片交叉微结构的拔出力,结果表明羟基磷灰石的层状微结构增加了臼齿的断裂能,而羟基磷灰石片交叉微结构增加了磷灰石片的最大拔出力。分析结果被实验验证。臼齿通过其不同尺度上的优良微结构,使其获得优良的力学性质。

磨牙中微管方向对结构损伤的影响

指出了人的牙齿在咀嚼中承受着变化多样的载荷,牙齿多孔的微观结构对结构损伤有着一定的影响。根据扫描电镜观察牙齿的微观结构,建立了3种二维的微观模型:椭圆微管长轴平行于圆周切向的周向椭圆孔洞模型、椭圆微管长轴平行于圆周径向的径向椭圆孔洞模型,以及微管为圆形的圆形孔洞模型。通过渐进损失讨论了微管排列方向对抵抗裂纹损伤的影响。结果表明:周向椭圆孔洞模型能有效增强牙齿抵抗微裂纹扩展的能力。这些结果对于天然复合材料的研究以及工程材料的应用有一定的指导作用。

鹿角各向异性力学性质及断面的分形分析

指出了鹿角是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白构成的生物复合材料。为研究鹿角微观结构与其力学性质的联系,选取了梅花鹿鹿角作为实验材料,分别取了鹿角密质骨部分沿三个不同方向的试样,通过材料测试机对试样的弯曲力学性能进行了测试,并对微观结构特征进行了扫描电子显微镜(SEM)观察。结果表明:鹿角密质骨的力学性能和试样的方向密切相关,即横向试样具有较大的断裂强度,弹性模量和断裂功,而纵向和径向试样的断裂强度、弹性模量和断裂功小于横向试样。这是由鹿角的微观结构特点影响的。根据分形原理,利用盒子法得到了不同方向试样的断面分形维数,结果显示,在横向断裂试样表面的分形维数和断裂能明显大于纵向和径向试样的值。这和力学实验结果一致。

龙虾外骨骼矿化几丁质纤维片旋转结构研究

扫描电镜观察显示龙虾外骨骼是一种由矿化几丁质纤维层与胶原蛋白质构成的自然生物陶瓷复合材料。其中的矿化几丁质纤维首先构成纤维片,进而矿化几丁质纤维片组成平行于龙虾外骨骼表面的层状结构。观察也发现相邻纤维层中的矿化几丁质纤维片保持一个固定的夹角旋转,构成一种几丁质纤维片旋转结构。建立纤维片旋转结构模型,分析了与龙虾外骨骼断裂韧性密切相关的纤维片旋转结构的拔出力,并将其与纤维片非旋转结构的拔出力进行比较,结果表明纤维片旋转结构的拔出力明显大于纤维片非旋转结构的拔出力,实验验证了模型分析的结果。研究结果为高性能陶瓷复合材料设计提供有益指导。